Hochschule München Fakultät 03
Wintersemester 2012/13
Schriftliche Prüfung im Fach Elektronik/Mikroprozessortechnik, 90 min.
J. Gebert, P. Klein, M. Krug, T. Küpper,
W. Stadler
Zugelassene Hilfsmittel:
alle eigenen Unterlagen, Taschenrechner
Matr.-Nr.: Name, Vorname:
Hörsaal: Unterschrift:
Aufgabe 1 (ca. 15 Punkte)
Die folgende Operationsverstärker-Schaltung zeigt mit drei farbigen Leuchtdioden an, ob der Ladezustand einer Auto- batterie korrekt oder zu niedrig ist.
Die maximale bzw. minimale Ausgangsspannung der idealen Operationsverstärker beträgt ±10 V.
1.1. Wie groß ist der Strom, der in den nichtinvertierenden Eingang („Plus-Eingang“) von V1 fließt?
1.2. Geben Sie eine Formel u1 = f(uBAT) an, mit der u1 aus uBAT berechnet werden kann.
1.3. Welche Funktion hat der Operationsverstärker V1?
1.4. Geben Sie eine Formel u2 = f(uBAT) an, mit der u2 aus uBAT berechnet werden kann.
(Falls Sie 1.4 nicht lösen können, rechnen Sie mit u2 = 0,7∙uBAT weiter!)
1.5. Welche konstanten Spannungen liegen an den invertierenden Eingängen („Minus-Eingänge“) der Verstärker V2, V3 und V4 gegenüber Masse an?
1.6. Welche Funktion haben die Verstärker V2, V3 und V4?
1.7. Welche Leuchtdioden leuchten, wenn die Batteriespannung uBAT = 10 Volt beträgt?
1.8. Welcher Strom fließt durch eine Leuchtdiode, wenn diese eingeschaltet ist?
(Daten der Leuchtdiode: US = 2V, rf = 10Ω; Daten der Gleichrichterdiode: US = 1V, rf = 10Ω)
Aufgabe 2 (ca. 15 Punkte)
Die folgende Schaltung mit idealen Dioden dient dazu, eine Wechselspannung (Ueff = 9V) mit einer Frequenz f = 60 Hz (!!) gleichzurichten und mit einem Kondensator C = 1000µF zu glätten.
Die geglättete Spannung ud wird dann von einem integrierten Spannungsregler (Schaltkreis „7805“) auf eine konstante Spannung ulast = 5V herabgesetzt. An der Spannung ulast ist ein Verbraucherwider- stand von 10 Ohm angeschlossen.
(Der integrierte Spannungsregler hat im Vergleich zu einer Spannungsstabilisierungsschaltung mittels Zenerdiode einen besseren Wirkungsgrad. Außerdem sind die Schwankungen der Ausgangsspannung ulast deutlich geringer.)
Zunächst sind sowohl der Kondensator C, der Spannungsregler „7805“ als auch der Verbrau- cher R nicht angeschlossen!
2.1. Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Eingangs-Wechselspannung (in schwarz) und der Spannung ud (in rot) in das folgende Diagramm.
2.2. Nun wird der Kondensator C angeschlossen (aber noch nicht der Spannungsregler „7805“ und der Verbraucher R). Zeichnen Sie in das Diagramm den Verlauf der Spannung ud (in blau), die sich jetzt am Ausgang des Gleichrichters ergibt. Hinweis: Gehen Sie davon aus, dass sich die Schaltung bereits im eingeschwungenen Zustand befindet.
2.3. Nun werden auch der Spannungsregler „7805“ und der Verbraucherwiderstand R angeschlos- sen. In den Eingang des Spannungsreglers fließt ein konstanter Strom Id = 505 mA.
Wie groß ist die Ladung ΔQ, die vom Kondensator während der Entladezeit abgegeben wird?
(Tipp: Überlegen Sie zunächt, wie lange die Entladezeit dauert. Gehen Sie davon aus, dass die Aufladezeit so kurz ist, dass sie im Vergleich zur Entladezeit vernachlässigt werden darf.)
2.4. Wie groß ist die Spannungsschwankung Δud (bei einem Strom Id = 505 mA)?
(Falls Sie 2.4 nicht lösen können, rechnen Sie mit Δud = 4 V weiter!)
2.5. Zeichnen Sie den Verlauf der Spannung ud in das Diagramm, der sich bei angeschlossenem Spannungsregler „7805“ inkl. Verbraucherwiderstand R ergibt (in grün). Hinweis: Es gilt wei- terhin die Spannungsschwankung Δud aus Unterpunkt 2.4.
2.6. Im Datenblatt des Spannungsreglers „7805“ steht, dass die Spannung ud an seinem Eingang nicht unter 7,5 Volt sinken darf. Begründen Sie, ob der Spannungsregler in der vorliegenden Schaltung eingesetzt werden kann oder nicht (Stichworte genügen).
2.7. Welcher Strom Ilast fließt durch den Verbraucherwiderstand R? Welche Leistung Plast wird am Widerstand R in Wärme umgesetzt?
Aufgabe 3 (ca. 15 Punkte)
In der dargestellten Verstärkerschaltung ist ein Transis- tor mit dem abgebildeten Ausgangskennlinienfeld ein- gesetzt. Die Versorgungsspannung beträgt UB = 10 V.
Der Arbeitspunkt soll so gelegt werden, dass am Kol- lektorwiderstand gerade UB/2 abfällt und am Transistor eine Verlustleistung von 1 W in Wärme umgesetzt wird. Für die Basis-Emitter-Diode des Transistors gilt:
rBE = 10 Ω, Schwellenspannung US = 0,6 V.
3.1. An die Verstärkerschaltung wird eine Eingangsspannung uE mit rein sinusförmigem Verlauf (ohne Gleichanteil) angeschlossen. Am Ausgang soll eine reine Wechselspannung uA (ohne Gleichanteil) abgegriffen werden.
Zeichnen Sie die Eingangsspannung uE und die Ausgangsspannung uA in die Schaltung. Ergän- zen Sie außerdem die Schaltung mit zusätzlichen Bauelementen so, dass der Arbeitspunkt der Schaltung erhalten bleibt und am Ausgang eine reine Wechselspannung anliegt.
3.2. Zeichnen Sie die Eingangskennlinie IB(UBE) des Transistors in das Diagramm.
3.3. Zeichnen Sie zunächst den Arbeitspunkt und dann die Arbeitsgerade in das Ausgangskennli- nienfeld des Transistors.
(Platz für Nebenrechnungen:)
3.4. Welche Größe muss der Kollektorwiderstand RC für diesen Arbeitspunkt besitzen?
(Wenn Sie 3.4 nicht lösen können, rechnen Sie mit RC = 50 Ω weiter!)
3.5. Zeichnen Sie den Arbeitspunkt in die Eingangskennlinie des Transistors. Wie groß ist der Ba- sisstrom IB im Arbeitspunkt? Wie groß ist die Spannung UBE im Arbeitspunkt?
3.6. Welche Größe muss der Basisvorwiderstand RB für diesen Arbeitspunkt besitzen?
3.7. Ermitteln Sie aus den Transistorkennlinien die Kleinsignalverstärkung ß in der Umgebung des Arbeitspunkts. (Wenn Sie 3.7 nicht lösen können, rechnen Sie mit ß = 50 weiter!)
3.8. Welchen Verstärkungsfaktor besitzt diese Verstärkerschaltung? (Tipp: rBE ist in der Aufgaben- stellung angegeben.)
Aufgabe 4 (ca. 15 Punkte)
Hinweis: Die Prioritätseingänge der folgenden Flipflops werden durch ein LOW-Signal an R bzw. S aktiviert. Wenn R und S beide auf HIGH stehen oder gar nicht angeschlossen sind, befinden sich die Flipflops im „Normalbetrieb“ (genauso wie im Praktikum).
4.1. Vervollständigen Sie das Impulsdiagramm für ein positiv flankengetriggertes D-Flipflop:
4.2. Vervollständigen Sie das Impulsdiagramm für ein positiv flankengetriggertes JK-Master/Slave-Flipflop:
4.3. Skizzieren Sie die Schaltung eines 4-Bit-Rückwärtszählers aus positiv flankengetriggerten JK-Master/Slave-Flipflops:
